關(guān)志艷，趙一龍，邊皖佳，馮喜喜，黃澤欣

(1.山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030060；2.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030001)

0 引言

我們國家對于生命特征的監(jiān)測技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的研究大多在體育、醫(yī)療等領(lǐng)域，或者是用于個人的功能型手環(huán)等，而針對于消防員作戰(zhàn)時的生命特征監(jiān)測領(lǐng)域的研究還處在初級階段，并沒有成熟的產(chǎn)品。大多數(shù)的產(chǎn)品存在攜帶不方便的問題，甚至影響消防員在戰(zhàn)斗時做專業(yè)性的動作，或者是當(dāng)消防員遇到了危險，但是報警系統(tǒng)不能及時傳達(dá)到指揮端，通信能力差，使用這些設(shè)備很有可能會造成一些不必要的犧牲[1]。

針對上述情況，本設(shè)計提出的基于ZigBee的消防員生命特征監(jiān)測系統(tǒng)，感知層采用CC2530單片機(jī)、心率傳感器PulseSensor、溫度傳感器DS18B20和OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層采用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用層通過協(xié)調(diào)器串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)并顯示。整體上可以實(shí)現(xiàn)心率及體溫的監(jiān)測、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和報警的功能，可以為消防員指揮端提供有效數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZigBee終端控制心率傳感器和溫度傳感器，獲取消防員的心率和體溫。ZigBee終端通過預(yù)設(shè)閾值來實(shí)現(xiàn)報警功能，如果所監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，終端的蜂鳴器報警提示消防員，同時終端采集到的數(shù)據(jù)會同步傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，并且通過串口將數(shù)據(jù)顯示在PC端，供指揮端查看，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)不在所設(shè)閾值的情況下蜂鳴器報警。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1) 通過心率傳感器和溫度傳感器采集消防員的心率和體溫數(shù)據(jù)。

2) 采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee終端接收和處理在OLED液晶顯示屏上顯示。

3) 相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器并且在PC端實(shí)時查看數(shù)據(jù)。

4) 當(dāng)所測得的數(shù)據(jù)高于或低于閾值時通過蜂鳴器報警。

2 感知層設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 感知層硬件設(shè)計

本設(shè)計的電路是在Aultium Designer軟件下進(jìn)行繪制與設(shè)計的，整個設(shè)計主要包括最小單片機(jī)系統(tǒng)、顯示模塊、心率采集模塊、體溫采集模塊、報警模塊，如圖2所示。

圖2 感知層電路

在本次設(shè)計中，首先終端部分使用了CC2530的并行I/O口，如圖2所示，其中P0_4連接心率傳感器Pulse Sensor； P0_5連接蜂鳴器；P0_7連接溫度傳感器DS18B20；P0_0、P1_2、P1_3、P1_7連接OLED顯示屏；協(xié)調(diào)器部分的P0_7連接蜂鳴器；P0_2、P0_3進(jìn)行串口通信。其次使用了CC2530單片機(jī)的硬件定時器T3。最后使用SPI總線用于OLED顯示屏的顯示。

在心率采集模塊使用Pulse Sensor傳感器，它可以測量人體的心率，測量的時候是通過發(fā)光二極管對動脈血和血紅蛋白具有選擇性的波長進(jìn)行測量，將得到的信號進(jìn)行濾波和放大，再由CC2530單片機(jī)將采集到的模擬信號值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過對應(yīng)的計算得到心率數(shù)值[2]。

如圖2所示，心率傳感器的S端是脈搏信號輸出端，需要接在CC2530單片機(jī)的AD接口P0_4；“+”需要接在3.3V電源接口，“-”接在GND接口。當(dāng)手指放在傳感器上的時候，檢測腳就會隨著心率的變化，輸出對應(yīng)波形，ZigBee使用ADC周期(2ms采樣一次)去采樣，分析數(shù)據(jù)，即可得到心率。

在環(huán)境溫度采集模塊使用DS18B20溫度傳感器，它的電源端接在單片機(jī)的3.3V電源接口，如圖2所示，信號線接在P0_7接口，負(fù)極接在單片機(jī)的GND端口，在使用DS18B20時切記不可將電源端與負(fù)極反接，否則會造成傳感器的損壞。

在顯示模塊采用OLED液晶顯示屏，其顯示數(shù)據(jù)的方式為SPI總線傳輸，如圖2所示，SPI時鐘接在P1_2引腳，SPI數(shù)據(jù)接在P1_3引腳，復(fù)位腳接在P1_7引腳，數(shù)據(jù)和命令選擇接在P0_0引腳,高電平獲取數(shù)據(jù)，低電平是命令。

2.2 感知層軟件設(shè)計

在主程序中，首先ZigBee終端要對心率傳感器、溫度傳感器以及串口定時器等進(jìn)行初始化工作，隨后與ZigBee協(xié)調(diào)器建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，協(xié)調(diào)器通過串口通信功能將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在PC端。如圖3所示為感知層主程序的流程圖。

圖3 感知層主程序流程

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee協(xié)議棧簡介

ZigBee協(xié)議是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，是為了實(shí)現(xiàn)兩個設(shè)備之間的通信。協(xié)議棧是在協(xié)議的基礎(chǔ)上所做的一個集合，通過協(xié)議棧就可以實(shí)現(xiàn)兩個設(shè)備之間的無線通信功能了。ZigBee協(xié)議分為兩個部分。IEEE 802.15.4開發(fā)了有關(guān)PHY和MAC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)為NWK，APS和APL開發(fā)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

3.2 ZigBee協(xié)議棧的工作流程

用戶自己添加的應(yīng)用任務(wù)程序在Zstack中的調(diào)用過程[3]：

main()—> osal_init_system()—> osalInitTasks()—> SampleApp_Init()

1) 程序入口

main函數(shù)的功能：首先執(zhí)行初始化任務(wù)，包括硬件，網(wǎng)絡(luò)層和任務(wù)初始化。然后運(yùn)行osal_start_system()函數(shù)運(yùn)行操作系統(tǒng)。

2) 系統(tǒng)初始化[4]

osal_init_system();函數(shù)是系統(tǒng)的初始化功能。osalInitTasks();函數(shù)是任務(wù)初始化功能。SampleApp_Init();函數(shù)是使用協(xié)議棧所需的函數(shù)，用戶通常在其中初始化自己的協(xié)議棧。

3) 運(yùn)行操作系統(tǒng)

4) 用戶應(yīng)用任務(wù)初始化

SampleApp_Init()函數(shù)是用于用戶應(yīng)用程序任務(wù)的初始化函數(shù)。

5) 應(yīng)用任務(wù)事件處理函數(shù)

SampleApp_ProcessEvent()函數(shù)是事件處理功能，用于用戶應(yīng)用程序任務(wù)。

6) 應(yīng)用層無線消息處理

應(yīng)用程序?qū)訜o線消息處理在函數(shù)SampleApp_MessageMSGCB中。

7) 周期發(fā)送數(shù)據(jù)

SampleApp_SendPeriodicMessage()周期發(fā)送信息函數(shù)，內(nèi)部調(diào)用了函數(shù)AF_DataRequest進(jìn)行無線消息發(fā)送[5]。

4 應(yīng)用層的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

PC端的數(shù)據(jù)顯示功能通過ZigBee協(xié)調(diào)器的串口與PC連接，使用sscom串口調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與監(jiān)測供指揮端作出進(jìn)一步的指示。串口通信的流程：終端入網(wǎng)成功后，上傳自己的短地址到協(xié)調(diào)器，終端串口輸出“parent:0,xxxx”，其中“xxxx”為終端的短地址。協(xié)調(diào)器收到設(shè)備的短地址時，會將其保存在SerialApp_TxAddr中，協(xié)調(diào)器將其用于將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備。在這一系列的準(zhǔn)備工作完成之后就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收功能。

5 結(jié)語

該設(shè)計是基于ZigBee的消防員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩部分，一部分是終端，可以通過攜帶的方式監(jiān)測到消防員的生命特征，提前設(shè)置好閾值起到報警的功能；另一部分是協(xié)調(diào)器，可以通過ZigBee與終端建立網(wǎng)絡(luò)連接，接收到終端傳回的數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)顯示在PC端。